JP7263323B2 - ポリオールの製造プロセス - Google Patents

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Description

実施形態は、少なくともルイス酸触媒を使用してポリオールを製造する方法、少なくともルイス酸触媒を使用して調製されるポリオール、および/または少なくともルイス酸触媒を使用して調製されるポリオールを使用して調製されるポリウレタン生成物に関する。
ポリエーテルポリオールは、開始剤化合物および触媒の存在下で、アルキレンオキシドを重合することによって生成される。開始剤化合物は、アルキレンオキシドが反応して、ポリマー鎖の形成を開始することができる、1つ以上の官能基を有する。開始剤化合物は、分子量に影響を与え、結果として得られるポリエーテルポリオールが有するヒドロキシル基の数を確立することができる。
ポリエーテルポリオールを形成するための触媒に関して、製造は、アルカリ金属触媒(KOH系触媒など)の代わりに二重金属シアン化物(DMC)触媒を使用する方向に向かっている。DMC触媒の不利な点は、米国特許第9,040,657号に教示されているように、それらが緩徐に活性化し得ることである。具体的には、DMC触媒を使用したポリエーテルポリオールの調製は、触媒誘導期間として知られる反応の段階で開始し得る。この反応の段階中、DMC触媒は、不活性な形態から、触媒が活性を維持する限りアルキレンオキシドを急速に重合する高度に活性な形態へと、原位置で変換されるようになると考えられている。この触媒誘導期間は、典型的には、アルキレンオキシドを反応器に最初に導入した後の不確定な期間である。重合プロセスの開始時に少量のアルキレンオキシドを導入し、次いでアルキレンオキシドの供給を継続するには、触媒が活性化される(例えば、反応器に充填された初期アルキレンオキシドの消費による反応器圧力の低下によって示される)まで待つのが一般的である。触媒が活性化されるまで、重合はほとんどまたは全く生じないため、長い活性化時間は、プロセスの生産性に直接的な悪影響を有する。時として、触媒が全く活性化されない場合がある。そのような触媒の活性化の失敗は、試行の断念をもたらし、プロセスは、最初からやり直される。したがって、活性化プロセスは、最良の状況下でもいくらかの生産性の損失をもたらし、最低の状況下では出発混合物のバッチ全体の損失を引き起こし得る。したがって、アルコキシル化反応の開始時の誘導期間の低減または排除が、非常に望ましいことが理解される。
三フッ化ホウ素などの従来のルイス酸を使用して、エポキシドを重合することの不利な点は、例えば、米国特許第6,624,321号に教示されているように、周知である。例えば、そのような従来のルイス酸の触媒としての使用は、揮発性の低分子量環状エーテルの形成につながる可能性があり、高レベルの触媒負荷を必要とする可能性があり(これは、最終的には、結果として得られる生成物から触媒を除去するための後のプロセス段階に対する必要性を要求する)、かつ触媒分解(その間に、高度に腐食性のHF副産物の放出および重合生成物の骨格へのフッ素原子の組み込みが生じ得る)につながる可能性がある。さらに、三フッ化ホウ素は、感湿性でもあり取り扱いが難しい危険性物質と見なされている。
アルキレンオキシドの開環重合中のトリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン触媒の使用は、例えば、米国特許第6,531,566号に教示されている。トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン触媒は、三フッ化ホウ素などの従来のルイス酸に対するいくつかの利点を提供する。例えば、トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン触媒は、腐食性ではなく、取り扱いが容易であり、明らかにより活性である。しかしながら、トリス(ペンタフルオロフェニル)ボランのアルコキシル化触媒としての使用により、ポリオール骨格内でのアルデヒドおよびアセタール結合の形成につながる、望ましくない副反応をもたらす。
DMC触媒およびルイス酸触媒を含む、高い第一級ヒドロキシル基含有量を有するポリオールを生成するための二重触媒パッケージの使用は、例えば、国際公開第WO2016/064698号に開示されている。この方法は、ルイス酸ステップの滞留時間を最小化し、高分子量ポリエーテルポリオールの生成を可能にする。それにもかかわらず、ルイス酸触媒自体の選択性を変更できること、例えば、結果として得られるポリエーテルポリオールの他の特定の特性を選択できることが必要とされる。さらに、トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン触媒の高い負荷は、潜在的に、結果として得られるポリエーテルポリオールのさらなる仕上げを必要とする可能性がある。
したがって、重合反応の正確な制御、および任意で非仕上げポリオール(すなわち、さらなる仕上げを必要としないポリオール)の生成を依然として可能にしながら、アセタールおよび/またはアルデヒドを生成するものなどの副反応を最小化することに関して、改善が求められている。
実施形態は、ポリエーテルポリオールを生成する方法を提供することによって実現することができ、本方法は、重合触媒の存在下で、低分子量開始剤を1つ以上のモノマーと反応させることを含み、当該低分子量開始剤は、少なくとも2の公称ヒドロキシル官能価を有し、当該1つ以上のモノマーは、プロピレンオキシドおよびブチレンオキシドから選択される少なくとも1つを含み、当該重合触媒は、一般式M(R(R(R(R0または1を有するルイス酸触媒である。式中、Mは、ホウ素、アルミニウム、インジウム、ビスマスまたはエルビウムであり、R、R、およびRは、それぞれ同じフルオロアルキル置換フェニル基を含み、任意のRは、官能基または官能性ポリマー基を含む。この方法は、ルイス酸触媒の存在下で、低分子量開始剤の数平均分子量よりも大きい数平均分子量を有するポリエーテルポリオールを形成することをさらに含む。
国際公開第WO2012/091968号で考察されているように、活性化時間を本質的に必要としない特定のルイス酸が、重合触媒として評価されている。しかしながら、いくつかのルイス酸は、急速に失活する可能性があり、高分子量ポリマーを生成すること、またはアルキレンオキシドからポリマーへの高転化率を得ることができない可能性がある。さらに、水酸化ナトリウムなどの大量のアルカリ触媒は、結果として得られる生成物の塩基含有量を低減するために、(例えば、米国特許第5,468,839号で考察されている)濾過および/または酸仕上げ/中和などの処理を必要とする可能性がある。十分に少ない量のルイス酸触媒および任意でDMC触媒の使用は、制御および/または選択性も同時に提供しながら、そのような処理に対する必要性を排除することができる。しかしながら、特定のルイス酸は、望ましくない副反応を促進する可能性がある。ポリオール生成物中の特定の副産物の存在により、結果として得られる生成物に対して追加の仕上げステップを実行することが必要となる可能性がある。
実施形態は、重合反応の正確な制御を依然として可能にしながら、アルデヒドおよび/またはアセタールを生成するものなどの副反応を最少化することに関して利点を提供し得る、特定のルイス酸触媒、およびこのようなルイス酸触媒を使用するプロセスに関する。実施形態は、望ましい低レベルのアルデヒドおよびアセタールを有するポリオールポリマーを提供することに関し得る。ポリオールは、プロピレンオキシドおよびブチレンオキシドから選択される少なくとも1つのアルキレンオキシドから導出され、任意で、目的のエチレンオキシドの添加を本質的に排除することができる。ルイス酸とは、一対の電子を受容することができる物質を意味する。換言すると、ルイス酸は、電子対受容体である。
ポリエーテルポリオールを形成するための重合プロセス中、トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン触媒などのいくつかのルイス酸触媒は、特定の副反応が(所望の結果に応じて)望ましくないレベルで生じ得るという不利な点を有し得る。そのような副反応の一例は、以下の模式図1に示される、プロピオンアルデヒドのトリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン触媒支援型形成であり、これは、アルコールの存在下で生じる可能性があり、結果として得られるポリエーテルポリオールの所望の化学選択性の欠如につながる可能性がある。
Figure 0007263323000001
さらに、上記に示すような、プロピオンアルデヒド-アルコール結合は、結合が存在せず、かつ/または特に商業規模で分子量制御を困難にする可能性がある場合と比較して、より高い分子量の種をもたらす可能性がある。また、カップリング反応から生じる水の副産物は、潜在的に、モノマーを消費する可能性があり、ジオールの形成をもたらし、かつ/またはトリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン触媒の触媒活性を変化させる可能性がある。さらに、結果として得られる生成物を使用して、ポリウレタンポリマーを形成した場合、アセタール結合が望ましくないレベルで見出される可能性があり、これは、潜在的に、用途によってポリウレタンポリマー系生成物の寿命にわたり劣化させる可能性がある。
したがって、例示的な実施形態では、ポリエーテルポリオール(プロピレンオキシド系ポリオール、ブチレンオキシド系ポリオール、またはこれらの組み合わせなど)を形成するための反応系は、副反応を最小化し、任意で、DMC触媒と組み合わせることができる、ルイス酸触媒(例えば、結果として得られるポリエーテルポリオールに濾過および酸仕上げ/中和が必要とされない少ない量で)を使用する。例えば、フルオロアルキル置換フェニル基を有するトリアリールボラン触媒を使用することが提案されており、これは、アセタールおよび/もしくはアルデヒドを生成するもののような、副反応を選択的に最小化することに関する改善ならびに/または重合反応の正確な制御を可能にすることができる。
特に、フルオロアルキル置換基を含有するトリアリールボラン触媒は、副反応を有意に減少させ、骨格内のより少ないアセタール結合をもたらす可能性があることが見出されている。フルオロアルキル基は、(ホウ素などの)金属活性中心に特有の特性を付与すると考えられている。例えば、パラ位のフッ素基のハメット定数(σ)は、σ=0.06である一方で、パラ位のCF基のハメット定数は、0.54である。したがって、CF基は、特有の電子吸引基として作用する可能性があり、これは、F原子が環に供与することができないことに一部関係している。
Figure 0007263323000002
実施形態は、少量のアセタール結合を有するポリエーテルポリオール(例えば、プロピレンオキシド系および/またはブチレンオキシド系ポリオール)を形成することに関する。ポリエーテルポリオールは、比較的高い数平均分子量(すなわち、500g/mol超、1000g/mol超、2,500g/mol超、例えば、2,600g/mol~12,000g/mol、3,000g/mol~6,000g/molなど)を有し得る。
例示的な実施形態によれば、ポリエーテルポリオールを形成するための触媒成分は、少なくとも1つのルイス酸触媒および任意でDMC触媒を利用することができる。例えば、少なくとも1つのルイス酸触媒が、DMC触媒なしで使用されてもよく、またはDMC触媒およびルイス酸触媒が、同時に、もしくは連続して添加されてもよい。例えば、DMC-ルイス酸二重触媒系では、重合方法は、最初にDMC触媒を添加し、後に別個に提供されるルイス酸触媒を添加することと、DMC触媒が添加された温度よりも低い温度で触媒を反応させることとを含み得る。ルイス酸触媒は、DMC触媒が活性であり得る温度範囲(例えば、125℃~160℃)よりも低い温度範囲(例えば、60℃~115℃)で活性であり得る。
ポリエーテルポリオールには、複数のエーテル結合を有するポリオールが含まれる。例示的なポリエーテルポリオールには、ポリエーテルハイブリッドポリオール(ポリエーテルカーボネートポリオールおよびポリエーテルエステルポリオールなど)が含まれる。ポリエーテルポリオールは、少なくとも1つのアルキレンオキシドを含むアルキレンオキシド成分と、少なくとも1つの開始剤化合物を含む開始剤成分とを重合することによって生成される。開始剤化合物は、アルキレンオキシドが反応して、ポリマー鎖の形成を開始することができる、1つ以上の官能基を有する。開始剤化合物の主な機能は、分子量制御を提供し、モノオールまたはポリオール生成物が有することになるヒドロキシル基の数を確立することである。ポリエーテルカーボネートは、二酸化炭素と、少なくとも1つのアルキレンオキシドと、開始剤化合物とを重合することによって生成することができる。ポリエーテルエステルは、少なくとも1つのアルキレンオキシドをカルボン酸開始剤と重合することによって生成することができる。
ルイス酸触媒
例示的な実施形態によれば、ルイス酸触媒は、一般式M(R(R(R(R0または1を有し、式中、Mはホウ素、アルミニウム、インジウム、ビスマスまたはエルビウムであり、R、R、およびRは、それぞれフルオロアルキル置換フェニル基であり、任意のRは、官能基または官能性ポリマー基である。一般式中、Mは、金属塩イオンとして存在しても、この式に一体的に結合した部分として存在してもよい。R、R、およびRは、それぞれフルオロアルキル置換フェニル基である。R、R、およびRは、それぞれ同じフルオロアルキル置換フェニル基である。
、R、およびRは、フルオロアルキル置換フェニル基を含んでもよく、または本質的にフルオロアルキル置換フェニル基からなってもよい。同様に、Rは、官能基もしくは官能性ポリマー基を含んでもよく、または本質的にRが官能基もしくは官能性ポリマー基であることからなってもよい。
、R、およびRに関して、フルオロアルキル置換フェニル基とは、少なくとも1つの水素原子がフッ素原子で置換されているアルキル基である、フルオロアルキル基で置換された少なくとも1つの水素原子を含むフェニル基を意味する。例えば、フルオロアルキル基は、構造C2n+1-mを有してもよく、式中、nは、1以上かつ5以下である。また、mは、例えば、全体として静電的に中性の化合物を提供するための電荷のバランスを反映する数であり、ゼロ、1、または1超であり得る。フルオロアルキル置換フェニルのフェニル基は、少なくとも1つのフルオロアルキル基に加えて、他の基、例えば、フェニル基の少なくとも1つの水素を置換するフッ素原子および/または塩素原子を含むように置換されてもよい。例えば、R、R、およびRは、フルオロ/クロロ-フルオロアルキル置換フェニル基(1つのフルオロ基またはクロロ基および少なくとも1つのフルオロアルキル基が、フェニル基上で置換されることを意味する)、ジフルオロ/クロロ-フルオロアルキル置換フェニル基(2つのフルオロ基、2つのクロロ基、またはフルオロ基およびクロロ基ならびに少なくとも1つのフルオロアルキル基が、フェニル基上で置換されることを意味する)、トリフルオロ/クロロ-フルオロアルキル置換フェニル基(3つのフルオロ基、3つのクロロ基、または合計が3つになるフルオロ基およびクロロ基の組み合わせならびに少なくとも1つのフルオロアルキル基が、フェニル基上で置換されることを意味する)、またはテトラフルオロ/クロロ-フルオロアルキル置換フェニル基(4つのフルオロ基、4つのクロロ基、または合計が4つになるフルオロ基およびクロロ基の組み合わせならびに1つのフルオロアルキル基が、フェニル基上で置換されることを意味する)であり得る。
任意のRに関して、官能基または官能性ポリマー基は、ルイス酸触媒(例えば、ホウ素系ルイス酸触媒)と錯体を形成するルイス塩基であってもよく、かつ/またはルイス酸と配位結合を形成するのに利用可能である少なくとも1つの電子対を含有する分子もしくは部分であってもよい。ルイス塩基は、ポリマールイス塩基であってもよい。官能基または官能性ポリマー基とは、以下、水、アルコール、アルコキシ(例には、直鎖状または分岐状エーテルおよび環状エーテルが含まれる)、ケトン、エステル、オルガノシロキサン、アミン、ホスフィン、オキシム、ならびにそれらの置換類似体のうちの少なくとも1つを含有する分子を意味する。アルコール、直鎖状または分岐状エーテル、環状エーテル、ケトン、エステル、アルコキシ、オルガノシロキサン、およびオキシムの各々は、2~20個の炭素原子、2~12個の炭素原子、2~8個の炭素原子、および/または3~6個の炭素原子を含み得る。
例えば、官能基または官能性ポリマー基は、式(OYH)nを有してもよく、式中、Oは、O酸素であり、Hは、水素であり、Yは、Hまたはアルキル基であり、nは、整数(例えば、1~100の整数)である。しかしながら、ホウ素系ルイス酸触媒などのルイス酸触媒と組み合わせることができる他の既知の官能性ポリマー基が、使用されてもよい。例示的な環状エーテルには、テトラヒドロフランおよびテトラヒドロピランが含まれる。ポリマールイス塩基は、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、およびブチレンオキシドのポリマーに基づくポリオールおよびポリエーテルなどの2つ以上のルイス塩基官能基を含有する部分である。例示的なポリマールイス塩基には、エチレングリコール、エチレングリコールメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコール、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコール、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、およびポリブチレングリコールが含まれる。
例示的なルイス酸触媒は、Arのそれぞれが、フェニル基上で置換された少なくとも1つのフルオロアルキル(Y)基、および任意でフェニル基上で置換された少なくとも1つのフルオロまたはクロロ(X)を含む以下の構造を有する。
Figure 0007263323000003
式中、各Arは、同じ構造を有する。Arの例示的な構造は以下であり、セット1構造と呼ばれる:
Figure 0007263323000004
例示的な実施形態によれば、ルイス酸触媒は、一般式B(R(R(R(R0または1を有するホウ素系ルイス酸触媒であり、式中、R、R、およびRは、フルオロアルキル置換フェニル基であり、任意でRは、官能基または官能性ポリマー基である。例えば、フルオロアルキル置換フェニル基は、2,4-ジフルオロ-3-(トリフルオロメチル)フェニル基である。例えば、フルオロアルキル置換フェニル基は、2,4,6-トリフルオロ-3-(トリフルオロメチル)フェニル基である。例示的な実施形態では、RまたはRまたはRのうちの少なくとも1つは、3,4-または3,5-ビス(フルオロアルキル)置換フェニル基(例えば、3,4または3,5-ビス(トリフルオロメチル)置換フェニル基)である。例えば、Rは、3~10個の炭素原子を有する環状エーテルである。
Mがホウ素であるルイス酸触媒の例示的な構造を以下に示す。
Figure 0007263323000005
上記のものは、ホウ素を含む例示的な構造を示しているが、アルミニウム、インジウム、ビスマス、および/またはエルビウムなどの他の金属を含む類似の構造が使用されてもよい。
この理論によって拘束されることを意図するものではないが、特定のRは、例えば、重合反応に利用される場合に触媒活性を有意に損なうことなく、触媒の有効期間の改善を補助することができる。例えば、M、R、R、およびRを含む触媒は、任意のRを有する形態(形態M(R(R(R(R)、または任意のRを有しない形態(形態M(R(R(R)で存在してもよい。任意のRは、M(R(R(R(Rから段階的に解離して、M=Bについて以下に示される、遊離M(R(R(Rをもたらしてもよく、この遊離M(R(R(Rが、アルコキシル化/重合プロセスのための触媒であってもよく、かつ/またはM(R(R(R(Rから協奏プロセスまたは他の単一ステッププロセスでアルキレンオキシドとともに解離して、アルコキシル化/重合プロセスのための触媒をもたらしてもよい。
Figure 0007263323000006
任意のR基が、ホウ素、アルミニウム、インジウム、ビスマス、およびエルビウムの中心を偶発的な分解反応から保護する能力は、到達可能な中心の体積の減少に関連している可能性がある。到達可能な中心の体積は、他の分子との相互作用に利用可能なホウ素原子などの原子の周りの体積として定義される。
Figure 0007263323000007
例えば、触媒活性を損なうことなく、触媒の貯蔵安定性の増加を補助することができる好適なR基には、ジエチルエーテル、シクロペンチルメチルエーテル、メチル第三級ブチルエーテル、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,4-ジオキサン、アセトン、メチルイソプロピルケトン、酢酸イソプロピル、および酢酸イソブチルが含まれる。
例示的な実施形態で使用されるルイス酸触媒は、1つ以上のルイス酸触媒(例えば、それぞれが、一般式B(R(R(R(R0または1を有する)および任意で少なくとも1つの他の触媒(例えば、ポリエーテルポリオールを生成するための当該技術分野で既知の触媒など)を含む、ブレンド触媒であってもよい。ブレンド触媒は、任意で、一般式B(R(R(R(R0または1を有する1つ以上のルイス酸触媒が、ブレンド触媒の総重量の少なくとも25重量%、少なくとも50重量%、少なくとも70重量%、少なくとも75重量%、少なくとも80重量%、少なくとも85重量%、少なくとも90重量%、少なくとも95重量%、少なくとも99重量%などを占める、他の触媒を含んでもよい。
DMC触媒
触媒成分は、任意で、DMC触媒を含んでもよい。例示的なDMC触媒およびDMC触媒を生成する方法は、例えば、米国特許第3,278,457号、同第3,278,458号、同第3,278,459号、同第3,404,109号、同第3,427,256号、同第3,427,334号、同第3,427,335号、および同第5,470,813号に記載されている。例示的な種類のDMC触媒は、亜鉛ヘキサシアノコバルテート触媒錯体である。mDMC触媒錯体は、DMC触媒を形成する方法を修正したものを使用して調製することができる。DMC触媒、例えば、当該技術分野で既知のものが、ルイス酸触媒を含む触媒系で使用されてもよい。DMC触媒は、提供される第1または第2の触媒であってもよい。
例えば、DMC触媒は、式1によって表すことができる。
[M(CN)(X)[M(X)・nM ×(式1)
式中、MおよびMは、それぞれ金属であり、Mは、Mとは異なる遷移金属である。Xは、Mイオンと配位するシアン化物以外の基を表す。Mは、遷移金属である。Xは、Mイオンと配位するシアン化物以外の基を表す。XまたはXは各々独立して、ハロゲン、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩、炭酸塩、または塩素酸塩であり得る。例示的な実施形態では、XおよびXは、同じものであり、かつ塩化物である。Aは、アニオンを表し、b、c、およびdは、静電的に中性の錯体を反映する数であり、rは、4~6であり、tは、0~2であり、xおよびyは、金属塩M の電荷のバランスをとる整数であり、nは、ゼロまたは正の整数である。例えば、nは、0.01~20である。前述の式は、多くの場合にDMC触媒錯体内に存在するt-ブタノールなどの中性錯化剤の存在は反映していない。
式(I)を参照すると、MおよびMは各々、Zn2+、Fe2+、Co+2+、Ni2+、Mo4+、Mo6+、Al+3+、V4+、V5+、Sr2+、W4+、W6+、Mn2+、Sn2+、Sn4+、Pb2+、Cu2+、La3+、およびCr3+から(例えば、からなる群から)独立して選択される金属イオンである。例示的な実施形態は、少なくともZn2+を含む。さらに、MおよびMは各々、Fe3+、Fe2+、Co3+、Co2+、Cr2+、Cr3+、Mn2+、Mn3+、Ir3+、Ni2+、Rh3+、Ru2+、V4+、V5+、Ni2+、Pd2+、およびPt2+から(例えば、からなる群から)独立して選択される金属イオンである。上述のもののうち、プラス3の酸化状態にあるものが、MおよびMの金属に使用されてもよい。例示的な実施形態は、Co3+および/またはFe3+を含む。
好適なアニオンAには、塩化物、臭化物、およびヨウ化物などのハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、シアン化物、シュウ酸塩、チオシアン酸塩、イソシアン酸塩、過塩素酸塩、イソチオシアン酸塩、メタンスルホン酸塩などのアルカンスルホン酸塩、p-トルエンスルホン酸塩などのアリレンスルホン酸塩、トリフルオロメタンスルホン酸塩(トリフレート)、ならびにC1~4カルボン酸塩が挙げられるが、これらに限定されない。例示的な実施形態は、塩化物イオンを含む。
式(I)を参照すると、rは、4、5、または6の整数である。例示的な実施形態では、rは、4または6である。さらに、tは、0~2の整数であり、例示的な実施形態では、tは、0である。r+tの合計は、6に等しくあり得る。
例示的な実施形態では、DMC触媒は、亜鉛ヘキサシアノコバルテート触媒錯体である。DMC触媒は、t-ブタノールと錯化されてもよい。例示的な実施形態で使用されるDMC触媒は、1つ以上のDMC触媒を含むブレンド触媒であってもよい。ブレンド触媒は、任意で、DMC触媒が、ブレンド触媒の総重量の少なくとも75重量%を占める、非DMC触媒を含んでもよい。ブレンド触媒は、二重触媒系で後に添加されるルイス酸触媒のいずれも排除することができる。
モノマー
ポリエーテルポリオールを提供するのに使用されるモノマーは、プロピレンオキシド(1,2-プロペンオキシド)およびブチレンオキシド(1,2-ブテンオキシド)から選択される少なくとも1つを含む。3~10個の炭素原子(直鎖状または分岐状)および/またはアリールアルキレンオキシドモノマーを有する1,2-アルケンオキシドモノマーから選択される少なくとも3個の炭素原子を有するアルキレンオキシドモノマーなどの、他のモノマーを追加的に含み得る。例示的な他のモノマーには、ペンチレンオキシド(1,2-エポキシペンタンとしても知られる)、ヘキシレンオキシド(1,2-エポキシヘキサンとしても知られる)、オクチレンオキシド(1,2-エポキシオクタンとしても知られる)、ノニレンオキシド(1,2-エポキシノナンとしても知られる)、デシレンオキシド(1,2-エポキシデカンとしても知られる)、イソブチレンオキシド、4-メチル-1-ペンチレンオキシド、およびスチレンオキシドが含まれる。
触媒成分の使用
低いヒドロキシル当量の開始剤化合物(開始剤とも称される)のアルコキシル化プロセスにおいて、1つ以上のルイス酸触媒が使用される実施形態では、プロセスは、1つ以上のアルキレンオキシドの重合によって、開始剤化合物から最終的なポリエーテルポリオールへと直接進むことができる。さらに、重合反応中のルイス酸触媒の使用は、最終生成物中の多分散性の増加および/またはアセタール含有量の増加につながる特定の副反応を低減することができる。
開始剤とも称される開始剤化合物は、低分子量および少なくとも2の公称ヒドロキシル官能価を有する。開始剤は、重合反応においてアルコキシル化される任意の有機化合物である。開始剤は、12個以上ほど多くのヒドロキシル基を含有してもよい。例えば、開始剤は、ジオール、トリオール、またはヘキソールであってもよい。開始剤化合物/開始剤の混合物が使用されてもよい。開始剤は、ポリエーテル生成物のものよりも少ないヒドロキシル当量を有してもよく、例えば、3500g/mol当量未満、333g/mol当量未満、300g/mol当量未満、30g/mol当量超、30~300g/mol当量、30~250g/mol当量、50~250g/mol当量などのヒドロキシル当量を有してもよい。例示的な開始剤化合物には、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、1,4-ブタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、1,8-オクタンジオール、シクロヘキサンジメタノール、グリセリン、トリメチロールプロパン、トリメチロールエタン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、スクロース、および/またはアルコキシレート(特に、エトキシレートおよび/またはプロポキシレート)が含まれるが、これらに限定されず、これらのいずれも、重合の生成物の数平均分子量未満(例えば、5000g/mol未満、4000g/mol未満、3000g/mol未満、2000g/mol未満、および/または1000g/mol未満)の数平均分子量を有する。
開始剤化合物/開始剤は、(例えば、別の開始剤化合物/開始剤と重合される)プロピレンオキシド、エチレンオキシド、および/またはブチレンオキシドなどのアルキレンオキシドを使用して形成された、低分子量ポリエーテルポリオールであってもよい。開始剤化合物は、ジオールまたはトリオールであってもよい。例えば、開始剤化合物は、全プロピレンオキシド系ジオールまたはトリオールである。開始剤化合物は、ヒドロキシル官能基に基づく当量を有してもよく、3500g/mol当量未満、333g/mol当量未満、300g/mol当量未満、30g/mol当量超、30~300g/mol当量、30~250g/mol当量、50~250g/mol当量などのヒドロキシル当量を有してもよい。
ルイス酸触媒が使用される場合、反応器の温度は、DMC触媒が使用される場合と比較して、少なくとも20℃低減させることができる。例えば、DMC触媒の使用のための温度は、125℃~160℃であり得る(例えば、プロピレンオキシド供給物が、反応器に徐々に/緩徐に添加される間、および開始剤化合物がDMC触媒と混合された後)。ルイス酸触媒を使用するための温度は、25℃~115℃および/または60℃~115℃であり得る。例示的な実施形態では、活性DMC触媒および活性ルイス酸を含有する混合物の相対的寄与を制御することで、ルイス酸による鎖末端へオキシランを付加させることが可能になり得る。
例示的な実施形態では、ポリエーテルポリオールが、プロピレンオキシド系開始剤(例えば、ポリオキシプロピレン開始剤化合物)から導出される場合、重合プロセス中、プロピレンオキシドおよび/またはブチレンオキシドを反応混合物に添加して、開始剤の数平均分子量よりも大きい数平均分子量を有するポリエーテルポリオールを形成することができる。例えば、ポリエーテルポリオールは、少なくとも250g/mol、少なくとも1000g/mol、少なくとも2000g/mol、少なくとも3000g/mol、少なくとも5000g/mol、少なくとも6000g/mol、および/または少なくとも100g/mol超の数平均分子量を有し得る。
重合反応は、遭遇される圧力および温度に好適な任意の種類の容器内で実行することができる。連続的または半連続的プロセスでは、容器は、反応中にアルキレンオキシドおよび追加の開始剤化合物を導入することができる1つ以上の入口を有してもよい。連続プロセスでは、反応容器は、部分重合した反応混合物の一部分を引き出すことができる少なくとも1つの出口を含有する必要がある。出発材料を注入するための単一または複数の点を有する管状反応器、ループ反応器、および連続撹拌タンク反応器(CSTR)は全て、連続または半連続操作に好適な種類の容器である。例示的なプロセスは、米国特許公開第2011/0105802号に考察されている。
結果として得られるポリエーテルポリオール生成物は、例えば、フラッシングプロセスおよび/またはストリッピングプロセスでさらに処理されてもよい。例えば、いくらかの触媒残渣が生成物中に保持され得るが、ポリエーテルポリオールを処理して、触媒残渣を低減することができる。ポリオールをストリッピングすることによって、水分を除去することができる。実施形態によれば、プロピレンオキシドから導出されるポリエーテルポリオールは、50ppm~1000ppm(例えば、100ppm~500ppmおよび/または100ppm~250ppm)のルイス酸触媒濃度を(最終ポリオキシプロピレンポリオール中、ppmで)有し得る。
重合反応は、ポリエーテル生成物の数平均分子量と開始剤化合物の数平均分子量との比として定義される「構築比」によって特徴付けることができる。この構築比は、160ほど高くあってもよいが、より一般的には2.5~約65の範囲内であり、さらにより一般的には2.5~約50の範囲内である。ポリエーテル生成物が85~400のヒドロキシル当量を有する場合、構築比は、典型的には、約2.5~約15または約7~約11の範囲内である。
例示的な実施形態は、依然として高分子量ポリオール(例えば、ポリプロピレンオキシドポリオール、ポリプロピレンオキシド/ブチレンオキシドポリオール、ポリブチレンオキシドポリオールなど)を受け取りながら、結果として得られるポリオール鎖内の炭素の総モル数に基づいて、結果として得られるポリエーテルポリオール中で、より低いアセタール含有量(例えば、2.0mol%未満、1.5mol%未満、1.0mol%未満、0.8mol%未満、0.5mol%未満、0.4mol%未満、0.3mol%未満、0.2mol%未満、0.1mol%未満など)を達成することができる重合触媒として、特定のルイス酸触媒のうちの1つ以上を使用して、ポリエーテルポリオールを調製することに関する。
例示的な実施形態は、ルイス酸触媒の使用により、所望のポリエーテルポリオール生成物または中間体の形成に対する活性化障壁と比較して、望ましくない生成物であるアルデヒドの形成に対するより高い活性化障壁をもたらすことができるように、重合触媒として特定のルイス酸触媒のうちの1つ以上を使用することに関する。したがって、重合プロセス中に、望ましくない生成物と比較して、所望の生成物または中間生成物の形成を優遇することができる。例えば、アルデヒド形成に対する活性化障壁は、5.0kcal/mol超、7.0kcal/mol超、8.0kcal/mol超、および/または9.0kcal/mol超であり得る。アルデヒド形成に対する活性化障壁は、30kcal/mol未満および/または20kcal/mol未満であり得る。
実施形態に従って生成されるポリエーテルポリオールは、ポリウレタンの作製に有用であり得る。ポリウレタンポリマーは、ポリエーテルポリオールとイソシアネート(ポリイソシアネートなど、その例には、MDIとしても知られるメチレンジフェニルジイソシアネートおよびTDIとしても知られるトルエンジイソシアネートが含まれる)との反応生成物として調製することができる。例えば、より高い当量のポリエーテルポリオール生成物は、非セル状または微細セル状エラストマー、コーティング、接着剤、密封材、複合材、柔軟性、ならびに軟性、剛性、および粘弾性のポリウレタンフォームを含む、エラストマーまたは半エラストマーポリウレタン生成物の作製に有用である可能性がある。ポリウレタンフォームは、スラブストックまたは成形プロセスで作製することができる。
全ての部およびパーセンテージは、特に示されない限り、重量による。全ての分子量値は、特に示されない限り、数平均分子量に基づく。
様々な実施例、比較例、ならびに実施例および比較例で使用される材料に関して、およその特性、特徴、パラメータなどを以下に提供する。
触媒合成
触媒合成の一般的な生成は、以下のとおりである。特に明記されない限り、化学物質の全ての実験手順および操作は、窒素パージしたグローブボックス内またはシュレンクライン上で実行する。全てのバルク反応溶媒(トルエン、ジエチルエーテル、ヘキサン、テトラヒドロフラン(THF))は、アルミナおよびQ5反応性スカベンジャーのカラムを通過させることによって乾燥させる。他の全ての溶媒は、Aldrichから無水等級で購入し、使用前に活性化3Å分子ふるい上で保管する。Cambridge Isotope Laboratories,Inc.から得たNMR溶媒(CDClおよびC)は、分子ふるいで乾燥させるか、またはCの場合、Na/K合金を使用して乾燥させる。さらに、1-ブロモ-3,5-ビス(トリフルオロメチル)ベンゼン、1-ブロモ-2,4-ジフルオロ-3-トリフルオロメチルベンゼン、および1-ブロモ-3,5-ジフルオロ-4-トリメチルベンゼンは、Oakwood Chemicalから購入する。また、1-ブロモ-2,4,6-トリフルオロ-3-トリフルオロメチルベンゼン、塩化イソプロピルマグネシウム-塩化リチウム(THF溶液)、および三フッ化ホウ素ジエチルエーテラート)は、Sigma-Aldrichから入手し、そのまま使用する。さらに、指示薬として1,10-フェナントロリンを含むトルエン中1.00Mのデカノールを使用して、塩化イソプロピルマグネシウム塩化リチウム錯体(THF溶液)を使用前に滴定する。
多核NMRスペクトル(H、13C、19F)は、以下の機器、Varian MR-400またはVarian VNMRS-500のうちの1つで収集する。Hおよび13C NMR化学シフトは、残留溶媒ピークに対する百万分率で参照される。H-Cでは7.15ppm、CDClでは7.25ppm;13C-Cでは128.00ppm、およびCDClでは77.00ppm。ホウ素-11NMR化学シフトは、BF(EtO)(0ppm)に対して外部参照され、19F NMR化学シフトは、CFCl(0ppm)に対して外部参照される。ドライアイスまたは氷が唯一の冷却手段である場合を除いて、準周囲反応温度は、微細なJKEMセンサーPTFEワイヤK36INJを有する、Extech Instruments EasyView(商標)10Dual KモデルEA10温度計を使用して測定する。
触媒1は、トリス(3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニル)ボランである。
触媒2は、触媒1のTHF付加物である。
触媒1および2は、次の模式図2に従って調製される。
Figure 0007263323000008
特に、塩化イソプロピルマグネシウム-塩化リチウム(70.8mL、87.0mmol、THF中の1.23M溶液)を、ドライアイスで冷却されたアセトン浴内にあり、添加中は-35℃~-25℃の温度範囲に保持された、1-ブロモ-3,5-ビス(トリフルオロメチル)ベンゼン(25.5g、87.0mmol)THF(250mL)溶液に添加する。添加が完了した後、反応フラスコを氷浴(0℃)に移し、反応混合物を3時間撹拌する。反応混合物を約-35℃に冷却し、反応混合物を-35℃~-25℃の温度範囲に維持しながら、三フッ化ホウ素ジエチルエーテラート(4.26mL、29.0mmol)を添加する。反応混合物を一晩撹拌しながら、室温まで温める。反応混合物の得られた19F NMRスペクトルは、1-ブロモ-3,5-ビス(トリフルオロメチル)ベンゼンに対応するδ-63.2の大きなピーク(95%)およびδ-63.7の小さなピーク(5%)を示す。次に、減圧下で反応混合物からTHFを除去する。非常に細かい沈殿物を濾過するのが難しい場合があるため、残基をトルエンで抽出し、いくつかのPTFEフリットを使用して濾過する。揮発物を減圧下で除去して、非常に粘稠な油を得る。生成物の一部(約2/3~3/4)を昇華器に入れ、昇華させて(80℃で開始し、≦1mtorrの真空下で油浴中にて数日間かけて徐々に温度を150℃に上げる)、昇華器のフィンガーに3.95グラム(6.07mmol、21%)の白色固体を得る。小さな結晶も存在し得る。この材料は、触媒1として多核NMR分光法によって特徴付けられる。追加の純度の低い生成物を、昇華器本体の上部から、2.01グラムの量を削り取った。NMRによりボランとTHFとの2:1の混合物として特徴付けられる純度の低い物質をTHFに溶解させて、濾過し、揮発物を減圧下で除去する。この材料は、多核NMR分光法により、触媒2(2.00g、2.77mmol、9.5%)として特徴付けられる。全収率:触媒1が6.07mmolおよび触媒2が2.77mmol(全体の収率は30%)。
触媒3は、トリス(2,4-ジフルオロ-3-(トリフルオロメチル)フェニル)ボランのTHF付加物であり、模式図3に従って調製する。
Figure 0007263323000009
特に、塩化イソプロピルマグネシウム-塩化リチウム(15.6mL、19.2mmol、THF中の1.23M溶液)を、ドライアイスで冷却されたアセトン浴内にあり、添加中は-35℃~-25℃の温度範囲に保持された、1-ブロモ-2,4-ジフルオロ-3-トリフルオロメチル-ベンゼン(5.00g、19.2mmol)THF(100mL)溶液に添加する。添加が完了した後、反応フラスコを氷浴(0℃)に移し、反応混合物を3時間撹拌する。反応混合物を約-35℃に冷却し、反応混合物を-35℃~-25℃の温度範囲に維持しながら、三フッ化ホウ素ジエチルエーテラート(0.79mL、6.4mmol)を添加する。反応混合物を一晩撹拌しながら、室温まで温める。次に、減圧下で反応混合物からTHFを除去する。残渣をトルエンで抽出し、PTFEフリットを使用して濾過する。揮発物を減圧下で濾液から除去して、生成物であるトリス(2,4-ジフルオロ-3-(トリフルオロメチル)フェニル)ボランのTHF付加物を得る。
触媒4は、トリス(3,5-ジフルオロ-4-(トリフルオロメチル)フェニル)ボランのTHF付加物であり、模式図4に従って調製する。
Figure 0007263323000010
特に、塩化イソプロピルマグネシウム-塩化リチウム(31.1mL、38.3mmol、THF中の1.23M溶液)を、ドライアイスで冷却されたアセトン浴内にあり、添加中は-35℃~-25℃の温度範囲に保持された、1-ブロモ-3,5-ジフルオロ-4-トリフルオロメチルベンゼン(10.0g、38.3mmol)THF(150mL)溶液に添加する。添加が完了した後、反応フラスコを氷浴(0℃)に移し、反応混合物を3時間撹拌する。反応混合物を約-35℃に冷却し、反応混合物を-35℃~-25℃の温度範囲に維持しながら、三フッ化ホウ素ジエチルエーテラート(1.58mL、12.8mmol)を添加する。反応混合物を一晩撹拌しながら、室温まで温める。次に、減圧下で反応混合物からTHFを除去する。残渣をトルエンで抽出し、PTFEフリットを使用して濾過する。揮発物を減圧下で濾液から除去して、生成物であるトリス(3,5-ジフルオロ-4-(トリフルオロメチル)フェニル)ボランのTHF付加物を得る。
触媒5は、トリス(2,4,6-トリフルオロ-3-(トリフルオロメチル)フェニル)ボランのTHF付加物であり、模式図5に従って調製する。
Figure 0007263323000011
特に、塩化イソプロピルマグネシウム-塩化リチウム(5.9mL、7.3mmol、THF中の1.23M溶液)を、ドライアイスで冷却されたアセトン浴内にあり、添加中は-35℃~-25℃の温度範囲に保持された、1-ブロモ-2,4,6-トリフルオロ-3-トリフルオロメチルベンゼン(2.00g、7.17mmol)THF(50mL)溶液に添加する。添加が完了した後、反応フラスコを氷浴(0℃)に移し、反応混合物を3時間撹拌する。反応混合物を約-35℃に冷却し、反応混合物を-35℃~-25℃の温度範囲に維持しながら、三フッ化ホウ素ジエチルエーテラート(0.30mL、2.4mmol)を添加する。反応混合物を一晩撹拌しながら、室温まで温める。次に、減圧下で反応混合物からTHFを除去する。残渣をトルエンで抽出し、PTFEフリットを使用して濾過する。揮発物を減圧下で濾液から除去して、生成物であるトリス(2,4,6-トリフルオロ-3-(トリフルオロメチル)フェニル)ボランのTHF付加物を得る。
触媒Aは、トリス(ペンタフルオロフェニル)ボランであり、FAB(Boulder Scientificから入手可能)とも称される。
触媒Bは、亜鉛ヘキサシアノコバルテート触媒錯体(Arcol 3(登録商標)触媒の名称でCovestroから入手可能)である。
ポリオールの調製
ポリオールの調製には、以下の材料が主に使用される。
Figure 0007263323000012
特に、上記の触媒1~5を使用して、連続フロー反応器で以下の反応を実行することができる。反応は、以下の例示的な模式図6に示すような方法を、表1に記載されている条件を考慮して実行することができる。
Figure 0007263323000013
実施例1~5ならびに比較例A、BおよびCのポリオールを、以下の表1に概説される条件に従って、開始剤としてP390、モノマーとしてプロピレンオキシド(PO)、および溶媒を使用して調製する。表1を参照すると、数平均分子量(Mn)および多分散性指数(PDI)は、以下で考察する分析方法に従って決定される。表1および2を参照すると、PO結合エンタルピーおよびアルデヒドに対する活性化障壁が、以下で考察される計算法に従って決定される。
Figure 0007263323000014
Figure 0007263323000015
比較例Aは、触媒なしで実行される陰性対照である。この例は、開始剤とエチレンオキシドとを、管状反応器内で、90℃で10分間混合することによって実行される。窒素スパージ、続いて真空(42mbarで15分間)を使用して、生成物から揮発性生成物を取り除き、MALDI分光測定で分析する。測定したMnは、開始剤のMnと類似しており、これらの条件下でのいかなる背景の無触媒反応も無視できることを示す。
実施例1~5ならびに比較例BおよびCのポリオール試料を、Vapourtec Inc.から入手可能なマイクロ反応器である連続流反応器内で調製することができる。それらの例に対して、純粋なPOモノマーは、50psigで圧力シリンダーを介してポンプに供給される。溶媒を入れた溶媒貯槽を、別のポンプに接続する。2mLの注入ループを利用して、特定の触媒と開始剤との溶液(ジプロピレングリコールジメチルエーテル中60重量%のP390として)を系に導入する。流量を制御することによって、触媒および開始剤を規定の流量で流系に導入し得る。POモノマーおよび開始剤-触媒-溶媒の溶液を、混合単位で組み合わせ、2mLのステンレス鋼コイル状反応器に供給する。250psigに設定した背圧調節器を使用して、系の圧力を制御し、POが液相に留まるように補助する。連続圧力反応器に、0.1mL/分の開始剤-触媒-溶媒の混合物を充填する。プロピレンオキシドを、0.1mL/分の一定の供給速度で反応器に供給する。開始剤-触媒-溶媒の混合物が、試料ループに導入された後、最初の5.13mLの生成物混合物を、3重量%の水酸化カリウム水溶液からなるスクラバーに方向転換させる。次に、3.04mLの生成物混合物を収集し、MALDI分光分析によって分析する。
表1の温度は、反応器内の温度である。時間は滞留時間であり、これは以下のように定義される。
Figure 0007263323000016
ポンプAおよびBの流量が、それぞれ0.1mL/分である場合、
Figure 0007263323000017
ポンプAおよびBの流量が、それぞれ0.05mL/分である場合、
Figure 0007263323000018
PDIは、重量平均分子量(Mw)対数平均分子量(Mn)の比として定義される。PDIは、アセタール結合の程度の尺度を表すことがあるが、これは、この反応により分子量が実質的に2倍になる可能性があるためである。したがって、同様のMn値でPDIを比較することで、アルコキシル化(目的の反応)のための触媒対プロピレンオキシドのプロピオンアルデヒドへの異性化および後続のアセタール化の選択性の尺度を提供することができる。より高い化学選択性には、より低いPDIが好ましい可能性がある。
PO結合エンタルピーを、遊離触媒(Rが存在しない場合)およびPOからなる静止状態に対して計算する。より高い活性には、有利な結合(より大きな負の値、例えば、-5.5kcal/mol超、-6.5kcal/mol超など)が好ましい。表1および表2を参照すると、触媒1~4の計算は、有利な活性が実現されるような好ましいPO結合エンタルピーを提供することが理解される。活性の別の尺度は、以下に示される開環障壁である。より高い活性には、より低い開環障壁が好ましい。
以下に示されるように、アルデヒドに対する活性化障壁が、形成されるアルデヒドおよびアセタールの量を決定する。より低いアルデヒドおよびその後のアセタール形成には、より高い活性化障壁が好ましい。
Figure 0007263323000019
実施例1~5ならびに比較例BおよびCを参照すると、アルデヒドおよびアセタールに対する活性化障壁は、触媒Aと比較して、触媒1~4に対して有意により高いことが見出される。そのため、触媒Aと比較して、触媒1~4の構造により、アルデヒドおよびアセタールの形成が強く不利になる可能性があることが予想外に見出される。
触媒2およびAを使用して、表3~6に提供される条件を考慮し、模式図7に従って、様々な開始剤およびモノマーを使用するセミバッチプロセスで、追加の実施例6~9ならびに比較例D、EおよびFを実行する。
Figure 0007263323000020
表3~6を参照すると、Initは、使用される開始剤を指し、Monは、使用されるモノマーを指し、M/Iは、使用されるモノマー対開始剤の比を指す。使用されるモノマーは、プロピレンオキシド(PO)であり得る。
Figure 0007263323000021
Figure 0007263323000022
Figure 0007263323000023
Figure 0007263323000024
セミバッチのアルコキシル化反応のために、開始剤を乾燥させ、3つの手順のうちの1つを使用して圧力反応器に充填した。
手順A:ステンレス鋼シリンダーを125℃のオーブン内で6時間乾燥させた。シリンダーを窒素流下で冷却した。空のParr反応器を、窒素パージ下にて1時間、140℃のジャケット温度で乾燥させる。開始剤を、65mbarの真空下、110℃で2時間、ガラス器具内にて乾燥させて、真空下でステンレス鋼シリンダーに移動させる。シリンダーを秤量し、その内容物を、窒素圧を使用してParr反応器に移動させる。移動後にシリンダーを秤量し、Parr反応器に充填した量を決定する。
手順B:開始剤を、漏斗を介してParr反応器に直接充填する。乾燥を、窒素パージ下、120℃で120分間、反応器内で実行する。
手順C:開始剤を、漏斗を介してParr反応器に直接充填する。乾燥を、窒素パージ下、140℃で180分間、反応器内で実行する。
比較例D(表3):600mLの圧力反応器に、手順Aを使用して、数平均分子量400のポリ(プロピレンオキシド)ジオールである、59.3グラムのVORANOL(商標)P390を充填する。無水テトラヒドロフラン(2mL)中触媒A(74mg)の溶液を、窒素パージ下で試料添加ポートを通して一度に添加する。5分間パージした後、窒素パージを停止し、反応器の通気口を閉じる。プロピレンオキシド(237.3g)を、55℃の反応温度および1.25g/分の一定の供給速度で反応器に添加する。プロピレンオキシド供給の完了時に、反応物を55℃で20分間消化させる。反応混合物を通気し、窒素パージ下で90℃まで加熱する。反応混合物を90℃で30分間パージし、60℃まで冷却し、生成物(265.2g、89%)を収集する。数平均分子量=2246(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、多分散性指数(PDI)=1.16(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、アセタール=1.52mol%(逆ゲーテッド13C NMR分光法による)。
実施例6(表3):600mLの圧力反応器に、手順Cを使用して、数平均分子量400のポリ(プロピレンオキシド)ジオールである60.7グラムのVORANOL(商標)P390を充填する。無水テトラヒドロフラン(2mL)中触媒2(76mg)の溶液を、窒素パージ下で試料添加ポートを通して一度に添加する。5分間パージした後、窒素パージを停止し、反応器の通気口を閉じる。プロピレンオキシド(294.9mL)を、55℃の反応温度および1.5mL/分の一定の供給速度で反応器に添加する。プロピレンオキシド供給の完了時に、反応物を55℃で25分間消化させる。反応混合物を通気し、窒素パージ下で90℃まで加熱する。反応混合物を90℃で30分間パージし、60℃まで冷却し、生成物(292.4g、98%)を収集する。数平均分子量=2060(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、多分散性指数(PDI)=1.08(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、アセタール=0.52mol%(逆ゲーテッド13C NMR分光法による)。
比較例E(表4):500mLの圧力反応器に、数平均分子量440のポリ(プロピレンオキシド)ジオールである、51グラムのVORANOL(商標)P400を充填した。反応器を、開始剤を乾燥させるために、液相を通る窒素のパージ下で2時間、110℃に加熱した。反応器を60℃に冷却し、触媒A(125mg)を反応器シェルに一度に加えた。反応器シェルをヘッドに固定し、窒素パージ下で90℃まで加熱した。開始剤/触媒混合物の温度が90℃に達したとき、窒素および通気バルブを閉じた。プロピレンオキシド(90mL)を、0.6mL/分の一定の供給速度で反応器に添加した。プロピレンオキシド供給の完了時に、反応物を90℃で30分間消化させて、窒素パージ下で50℃まで冷却した。50℃で10分間パージした後、生成物を収集した(124g、99%)。数平均分子量=1259(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、多分散性指数(PDI)=1.19(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、アセタール=1.5mol%(逆ゲーテッド13C NMR分光法による)。
比較例7(表4):500mLの圧力反応器に、数平均分子量440のポリ(プロピレンオキシド)ジオールである、51グラムのVORANOL(商標)P400を充填した。反応器を、開始剤を乾燥させるために、液相を通る窒素のパージ下で2時間、110℃まで加熱した。反応器を60℃まで冷却し、触媒1(125mg)を反応器シェルに一度に加えた。反応器シェルをヘッドに固定し、窒素パージ下で90℃まで加熱した。開始剤/触媒混合物の温度が90℃に達したとき、窒素および通気バルブを閉じた。プロピレンオキシド(119mL)を、0.6mL/分の一定の供給速度で反応器に添加した。プロピレンオキシド供給の完了時に、反応物を90℃で30分間消化させて、窒素パージ下で50℃まで冷却した。50℃で10分間パージした後、生成物を収集した(143g、96%)。数平均分子量=1286(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、多分散性指数(PDI)=1.07(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、アセタール=0.2mol%(逆ゲーテッド13C NMR分光法による)。
比較例F(表5):600mLの圧力反応器に、手順Bを使用して、数平均分子量400のポリ(プロピレンオキシド)ジオールである61.2グラムのVORANOL(商標)P390を充填する。無水テトラヒドロフラン(2mL)中触媒A(38mg)の溶液を、窒素パージ下で試料添加ポートを通して一度に添加する。5分間パージした後、窒素パージを停止し、反応器の通気口を閉じる。プロピレンオキシド(89.1g)を、90℃の反応温度および0.75g/分の一定の供給速度で反応器に添加する。プロピレンオキシド供給の完了時に、反応物を20分間消化させる。反応混合物を通気し、90℃で30分間窒素でパージし、60℃まで冷却し、生成物を収集する(141.7g、95%)。数平均分子量=1027(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、多分散性指数(PDI)=1.14(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、アセタール=0.83mol%(逆ゲーテッド13C NMR分光法による)。
実施例8(表5):600mLの圧力反応器に、手順Bを使用して、数平均分子量400のポリ(プロピレンオキシド)ジオールである、59.5グラムのVORANOL(商標)P390を充填する。無水テトラヒドロフラン(2mL)中触媒2(36mg)の溶液を、窒素パージ下で試料添加ポートを通して一度に添加する。5分間パージした後、窒素パージを停止し、反応器の通気口を閉じる。プロピレンオキシド(86.7g)を、90℃の反応温度および0.75g/分の一定の供給速度で反応器に添加する。プロピレンオキシド供給の完了時に、反応物を32分間消化させる。反応混合物を通気し、90℃で30分間窒素でパージし、60℃まで冷却し、生成物を収集する(138.4g、95%)。数平均分子量=983(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、多分散性指数(PDI)=1.05(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、アセタール=0.2mol%(逆ゲーテッド13C NMR分光法による)。
実施例9(表6):500mLの圧力反応器に、手順Cを使用して、62グラムのGlycerolを充填する。無水テトラヒドロフラン(2mL)中触媒2(76mg)の溶液を、窒素パージ下で試料添加ポートを通して一度に添加する。5分間パージした後、窒素パージを停止し、反応器の通気口を閉じる。プロピレンオキシド(292.6mL)を、80℃の反応温度および1.5mL/分の一定の供給速度で反応器に添加する。プロピレンオキシド供給の完了時に、反応物を18分間消化させる。反応混合物を通気し、80℃で30分間窒素でパージして、60℃まで冷却し、生成物を収集する(281g、94%)。数平均分子量=386(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、多分散性指数(PDI)=1.17(ゲル浸透クロマトグラフィーによる)、アセタール=0.9mol%(逆ゲーテッド13C NMR分光法による)。
実施例6~9ならびに比較例D、EおよびFについて、結果として得られるポリオール試料中のアセタールのモル%を測定する(結果として得られるポリオール鎖中の炭素の総モルに基づいて)。表3~6を参照すると、触媒1および2を使用する場合、触媒Aと比較して、ポリオール中のアセタールのモル数が、有意により低いことが理解される。
ポリエーテルポリオールの調製のためのプロセスは、参照により組み込まれる国際公開第WO2016/064698号と類似した連続二重触媒プロセスを使用する連続または半バッチプロセスで実行することができる。
実施例10:600mLの圧力反応器に、手順Bを使用して、数平均分子量400のポリ(プロピレンオキシド)ジオールである、60グラムのVORANOL(商標)P390を充填する。無水テトラヒドロフラン(2mL)中触媒3(36mg)の溶液を、窒素パージ下で試料添加ポートを通して一度に添加する。5分間パージした後、窒素パージを停止し、反応器の通気口を閉じる。プロピレンオキシド(90g)を、90℃の反応温度および0.75g/分の一定の供給速度で反応器に添加する。プロピレンオキシド供給の完了時に、反応物を30分間消化させる。反応混合物を通気し、90℃で30分間窒素でパージして、60℃まで冷却し、生成物を収集する。
実施例11:600mLの圧力反応器に、手順Bを使用して、数平均分子量400のポリ(プロピレンオキシド)ジオールである、60グラムのVORANOL(商標)P390を充填する。無水テトラヒドロフラン(2mL)中触媒4(36mg)の溶液を、窒素パージ下で試料添加ポートを通して一度に添加する。5分間パージした後、窒素パージを停止し、反応器の通気口を閉じる。プロピレンオキシド(90g)を、90℃の反応温度および0.75g/分の一定の供給速度で反応器に添加する。プロピレンオキシド供給の完了時に、反応物を30分間消化させる。反応混合物を通気し、90℃で30分間窒素でパージして、60℃まで冷却し、生成物を収集する。
実施例12:600mLの圧力反応器に、手順Bを使用して、数平均分子量400のポリ(プロピレンオキシド)ジオールである、60グラムのVORANOL(商標)P390を充填する。無水テトラヒドロフラン(2mL)中触媒5(36mg)の溶液を、窒素パージ下で試料添加ポートを通して一度に添加する。5分間パージした後、窒素パージを停止し、反応器の通気口を閉じる。プロピレンオキシド(90g)を、90℃の反応温度および0.75g/分の一定の供給速度で反応器に添加する。プロピレンオキシド供給の完了時に、反応物を30分間消化させる。反応混合物を通気し、90℃で30分間窒素でパージして、60℃まで冷却し、生成物を収集する。
実施例に関して使用される分析方法を以下に記載する。
セミバッチ生成物のMの決定:ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)分析を、数平均分子量(Mn)の決定に使用し、これを、直列に接続した4つのPLgel有機GPCカラム(3μm、Agilent Inc.)および溶離液としてテトラヒドロフランを使用して、1.0mL/分の流量で実行する。カラム温度は、40℃である。VORANOL(商標)CP6001、VORANOL(商標)210、230-660、および230-056Nを、標準として使用する。
連続生成物のMおよびPDIの決定:355nmのNd:YAGレーザーを装備したBruker UltrafleXtreme MALDI-TOF/TOF MS(Bruker Daltronics Inc.、Billerica、MA)を使用して、試料を分析する。スペクトルを、20,000超の半値全幅(fwhm)の質量分解能を有する正イオン反射モードで得て、同位体分解能を、検出された質量範囲全体を通して観察し、レーザー強度を、閾値よりも約10%大きく設定した。機器の電圧を各スペクトルに最適化して、最良の信号対雑音比を達成する。Peptide Mass Standard Kit(Bruker Daltronics)のタンパク質標準(Peptide Mix II)、ならびにBradykinin(クリップ1-7)(m=757.40Da)、Angiotensin II(m=1046.54Da)、Angiotensin I(m=1296.68Da)、Substance P(m=1347.74Da)、ACTH(クリップ1-17)(m=2093.09Da)、ACTH(クリップ18-39)(m=2465.20Da)、およびSomatostatin 28(m=3147.47Da)を使用した7点較正法を使用して、外部質量較正を実行して、△m=±0.05Daよりも良好なモノアイソトピック質量精度を得る。正イオンモードには、m+1ピークを使用し、負イオンモードには、m-1ピークを使用する。機器を各測定前に較正して、一定の実験条件を確保する。
CID断片化実験について、1.5×10-6Torrの圧力の衝突ガスとしてアルゴンを使用し、衝突エネルギーは20keVに達する。全てのスペクトルを、20,000超の半値全幅(fwhm)の質量分解能を有する反射モードで取得し、同位体分解能を、検出された質量範囲全体を通して観察する。MALDIスペクトルを、トリフルオロ酢酸ナトリウム(NaTFA、Aldrich)を任意でドープしたジトラノール(Aldrich)マトリックスで実行する。乾燥液滴法を使用して、試料を調製する。5,6 ジトラノール(THF中20mg/mL)、トリフルオロ酢酸ナトリウム(使用する場合)(THF中15mg/mL)、およびポリマー(THF中)を、以下の比率、50μLのジトラノール溶液、10μLのポリマー溶液、1.5μLのNaTFA溶液で混合した。混合物を30秒間ボルテックスした後、1μLの混合物をピペットでMALDI試料プレート上に取り、室温で空気乾燥させる。混合物の良好な試料採取を確保し、MALDI試料の堆積プロセスの変動を考慮するために、4つの複製を使用して、スポッティングを実行する。試料スポットに沿ってレーザーを緩徐にラスタリングすることによって、1スペクトル当たり平均10,000ショットで、MALDIデータを収集する。Sierra Analytics(Modesto、CA)によって供給されるPolymerix3.0ソフトウェアを使用して、MSおよびMS/MSデータを処理する。
Polymerixソフトウェア(Sierra Analytics)を使用したMALDIデータ分析:MALDIデータを、データ分析(MnおよびPDIの決定)のためにPolymerixソフトウェアにインポートする。Polymerixソフトウェアを使用して、対象となる各種の系列の相対パーセンテージおよびMnを計算する。第1のステップは、対象となる各種の系列を同定するテンプレートの構築である。このテンプレートには、PO反復単位の末端基(58.04186Da)および各構造のカチオン化剤が含まれる必要がある。単純化のために、Polymerixの末端基の計算時、水素原子(1.0078Da)を第1の末端基として指定し、構造の残りの部分(反復単位を除く)を第2の末端基に指定する。テンプレートの準備が整うと、MALDIデータをASCIIファイル形式でインポートすることができ、Polymerixソフトウェアは、その試料の全体的なMnおよびMwとともに各種の系列の相対パーセンテージを計算する。検出器およびTOF-MSリフレクトロンの質量識別効果とともに、低質量種の優先的な脱着の可能性のため、Mn計算は一般に、Mwよりも正確であることに留意されたい。
逆ゲーテッド13C NMR分光法によるアセタール含有量の決定:13C-NMR分析のために、試料を、DMSO-d中~90%溶液として10mmのNMR管内で調製し、アセタール種のレベルを測定する。少なくとも64のトランジェントスキャンおよび30秒の緩和遅延(定量的測定に最適化)を使用する、クライオプローブを装備したBruker Avance400-MHz分光計を使用して、13C NMRデータを取得する。13Cに25000Hzのスペクトル幅および65Kデータポイントのファイルサイズを使用して、取得を実行する。アセタール炭素からの共鳴下の面積を積分することによって、アセタール種の相対モル数を測定する。
Figure 0007263323000025
1つの試料を三連で調製および分析することによって、この方法の変動係数百分率(percentage coefficient of variation)(100*標準偏差/平均)を測定し、10%であることが見出された。
アルデヒドに対する結合エンタルピーおよび活性化障壁の決定のための計算方法論:計算方法論:基底状態および遷移状態の種の構造は、B3LYP/6~31g**レベルで密度汎関数理論(DFT)を使用して最適化される。ジエチルエーテル(ε=4.2)を最適な媒質として使用した、分極連続体モデル(CPCM)などの導体を使用することによって、誘電体媒質の効果が含まれる。基底状態の幾何学に対して振動解析を実行し、虚振動数の欠如を使用して、ポテンシャルエネルギー面(PES)の極小値を確認する。他方では、遷移状態の幾何学に対する同じ分析は、1つの虚振動数を示した。後者の場合、原子が所望の反応座標に沿って移動することを確保するため、GaussViewプログラムを使用して、振動モードを虚振動数で視覚化する。基底状態および遷移状態の両方の幾何学について、振動分析を使用して、ゼロ点エネルギーを電子エネルギーに増大させることによって、298Kでのエンタルピー(H298)を計算する。基底状態および遷移状態の両方について、さまざまな立体配座を調べ、最も低い立体配座のエンタルピーを使用して、結合およびアルデヒド形成の障壁の高さを計算した。G09のプログラム組を使用して、これらの計算を実行した。
自由(または到達)体積の計算決定:上記の方法を使用して、遊離触媒(触媒が任意のRルイス塩基に結合していない)または配位錯体(触媒が任意のRルイス塩基に結合している)の最適化された幾何状態を得た後、半径3.0Åの球をB原子の周囲に配置する(この球の体積を、V1として示す)。その後、球を他の原子上に置き、これらの球の半径を、それぞれの原子のファンデルワールス半径になるように選択する。他の原子上の球によって遮蔽されるBを中心とする球の体積を、モンテカルロ積分技術を使用して計算する。遮蔽された体積を、V2として表す。自由体積(FV)を、以下の等式を使用して計算する。
FV=1-(V2/V1)
FV記述子は、0~1で変動する。この技術は、Pipeline Pilotツールキットを使用して実装する。この手順は、結合解離傾向を理解するために文献で使用されている。

Claims (11)

  1. ポリエーテルポリオールを生成する方法であって、
    重合触媒の存在下で、低分子量開始剤を1つ以上のモノマーと反応させることであって、前記低分子量開始剤が、少なくとも2の公称ヒドロキシル官能価を有し、前記1つ以上のモノマーが、プロピレンオキシドおよびブチレンオキシドから選択される少なくとも1つであり、前記重合触媒が、一般式M(R(R(R(R0または1を有するルイス酸触媒であり、式中、Mが、ホウ素、アルミニウム、インジウム、ビスマスまたはエルビウムであり、R、RおよびRが、それぞれ同じフルオロアルキル置換フェニル基を含み、任意のRが、官能基または官能性ポリマー基を含む、反応させることと、
    前記ルイス酸触媒の存在下で、前記低分子量開始剤の数平均分子量よりも大きい数平均分子量を有するポリエーテルポリオールを形成することと、を含む、方法。
  2. 前記ルイス酸触媒が、一般式M(R(R(R(R0または1を有し、式中、Mはホウ素であり、R、R、およびRのそれぞれが、3,4-または3,5-ビス(フルオロアルキル)置換フェニル基である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記ルイス酸触媒が、一般式M(R(R(R(R0または1を有し、式中、Mはホウ素であり、R、R、およびRのそれぞれが、フルオロ/クロロ-フルオロアルキル置換フェニル基、ジフルオロ/クロロ-フルオロアルキル置換フェニル基、トリフルオロ/クロロ-フルオロアルキル置換フェニル基、またはテトラフルオロ/クロロ-フルオロアルキル置換フェニル基である、請求項1に記載の方法。
  4. 前記ルイス酸触媒が、一般式M(R(R(R(Rを有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。
  5. が、3~10個の炭素原子を有する環状エーテルである、請求項4に記載の方法。
  6. が、3~10個の炭素原子を有するケトンである、請求項4に記載の方法。
  7. 前記ポリエーテルポリオールが、前記ポリエーテルポリオールの総モル数に基づいて、0.5mol%未満のアセタール含有量を有する、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記低分子量開始剤が、プロピレンオキシド、エチレンオキシド、およびブチレンオキシドから選択される少なくとも1つから導出されるポリエーテルジオールまたはトリオールである、請求項1~7のいずれか1項に記載の方法。
  9. ポリウレタン生成物を生成する方法であって、
    請求項1~8のいずれか1項に記載の方法に従って生成されるポリエーテルポリオールを提供することと、
    イソシアネートを提供することと、を含む、方法。
  10. 請求項1~8のいずれか1項に記載の方法を使用して調製される、ポリエーテルポリオール。
  11. 請求項10に記載のポリエーテルポリオールを使用して調製される、ポリウレタン生成物。
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